地球化学录井原理及图谱研究

杨毅,袁胜斌,郭东明

(中法渤海地质服务有限公司,天津 300452)

地球化学录井可以在随钻过程中对烃源岩有效性和储集层流体进行评价,为油气水解释和石油地质研究提供基础数据[1]。地球化学录井技术已经历了近半个世纪的发展,从定性分析储层含烃量,到油气水解释,目前已应用于储层评价领域[2]。自地球化学分析技术引入到各油田单位的录井作业中以来,积累了大量的地化分析数据,但现有分析过程相对粗糙,评价方法单一。本文拟从地球化学原理分析入手,开展地球化学录井解释图谱对比研究,以期为地球化学录井解释应用提供借鉴。

1 地球化学录井概念及相关技术

目前,地化录井主要有岩石热解分析和气相色谱分析(包括热蒸发烃气相色谱、轻烃气相色谱、全二维轻烃气相色谱等),其中轻烃主要用于泥浆气,热解分析、热蒸发烃主要针对岩样。石油是由大量烃类和非烃物质组成的天然有机混合物,其中的胶质等大分子化合物在温度升高时会发生热裂解形成小分子,因此在热解过程中可裂解汽柴油、煤油等不同的烃类物质[3]。

1.1 岩石热解技术

1.1.1 分析原理及方法

岩石热解技术的基本过程为:将岩样置于可控升温反应炉中,通过分阶段加热的方法,将地层原始烃类升温从而产生热蒸发甚至热裂解。在此过程中形成的气态烃类物质,在载气的帮助下进入氢火焰色谱柱分析,通过检测色谱柱输出的电流信号来分析气态烃类物质的数量和类型,最终得到不同组分烃类的数量和热解温度情况。具体的分析方法包括五峰分析技术(周期Ⅰ分析法)和三峰分析技术(周期Ⅱ分析法)。

1.1.1.1 三峰分析技术(周期Ⅱ分析法)

主要采用把样品中的原油分为3种组分的分析方法,如表1所示。

表1 岩石热解三峰分析周期表

1.1.1.2 五峰分析技术(周期Ⅰ分析法)

主要采用把样品中的原油分为5种组分的分析方法,如表2所示。

表2 岩石热解五峰分析周期表

1.1.2 岩石热解参数及其意义

1.1.2.1 “三峰法”分析参数

S0:从开始升温到90 ℃区间由仪器检测到的烃含量,相当于气态烃成分,mg/g;

S1:从90 ℃升温到300 ℃区间由仪器检测到的烃含量,相当于液态烃成分,mg/g;

S2:从300 ℃升温到600 ℃区间由仪器检测到的烃含量,mg/g;

S4:一般指的是储层样品热解后检测到的烃含量,为残余有机碳含量,mg/g;

其中Tmax为S2的峰值对应的温度,一般与有机质中干酪根的热成熟度有关,℃。

1.1.2.2 “五峰法”分析参数

包括5个分析参数S0、S1、S21、S22、S23和4个计算参数P1、P2、P3、P4。

S0:从开始升温到90 ℃区间由仪器检测到的烃含量,与“三峰法”中的S0相同含义mg/g;

S1:在200 ℃时检测的单位质量储集岩中的烃含量,mg/g;

S21:在200 ～350 ℃检测的单位质量储集岩中的烃含量,mg/g;

S22:在350 ～450 ℃检测的单位质量储集岩中的烃含量,mg/g;

S23:在450 ～600 ℃由仪器检测到的烃含量,mg/g。

“三峰”和“五峰”周期温度时序图见图1。

1.1.2.3 用于储层含油气性评价的相关参数

在分析评价储层含油性时,除应用“三峰法”和“五峰法”获得的一系列直接参数之外,还可以利用一系列数学模型得到一些衍生参数,其中有下列9个衍生参数常用于储层含油气性的评价:

1)1个含油气总量相关指数:

PG(含油气总量):PG=S0+S1+S2(三峰法)

(1)

或PG=S0+S1+S21+S22+S23(五峰法)

(2)

式中,PG,mg/g。

2)4个含油气性相关指数:

P1(凝析油)、P2(轻质原油)、P3(中质原油)、P4(重质原油),均为无量纲,据五峰法分析参数计算。

3)4个油气产量指数:

GPI(气产率)、OPI(油产率)、TPI(总产率),均为无量纲,据三峰法和五峰法分析参数计算。

HPI(重烃及沥青质胶质含量):HPI=S2/(S0+S1+S2)

(3)

4)1个反映原油轻重组分的相关指数Ps1:

Ps1=S1/S2

(4)

式中,Ps1无量纲,据三峰法分析参数计算。

轻重比Ps:

Ps=(S0+S1)/S2

(5)

储层的地化亮点值M:

M=(S0+S1)/S2×Pg=Ps×Pg

(6)

1.1.2.4 烃源岩评价计算参数

同理,烃源岩评价,除应用三峰法(周期Ⅱ)分析参数S0、S1、S2、S4、Tmax、Rc外,还可经一定的数学计算,得出7个评价烃源岩重要性和有效性的计算参数。

1)有机质丰度评价参数:

生烃潜量Pg:

Pg=S0+S1+S2

(7)

有效碳PC:

PC=0.083Pg

(8)

产率指数PI:

PI=S1/(S1+S2)

(9)

总有机碳TOC:

TOC=PC+RC=0.083Pg+S4/10

(10)

降解潜率D:

D=100PC/TOC

(11)

类型指数TI:

TI=S2/S3

(12)

式中,S3为二氧化碳峰,mg/g。

可采用生烃潜量Pg的高低对烃源岩进行评价,标准如表3所示。

表3 烃源岩的热解评价标准

2)有机质类型评价参数:

烃指数IHC:

IHC=100S1/TOC

(13)

氢指数IH:

IH=100S2/TOC

(14)

氧指数IO:

IO=100S3/TOC

(15)

式中,IHC、IH、IO分别为烃指数、氢指数、氧指数,mg/g。

可根据降解潜率和氢指数划分干酪根类型,如表4所示。

表4 利用降解潜率和氢指数划分干酪根类型

1.2 热蒸发烃气相色谱技术

热蒸发烃气相色谱技术也称为饱和烃气相色谱分析技术、热解气相色谱。

1.2.1 分析原理

热解气相色谱本身是一项非常成熟的地球化学分析方法,因为气相色谱技术可以把混合状态的气相物质进行不同组分的分离,所以在生产和科研工作中应用非常广泛。当岩样被冷溶或者加温蒸发后,岩样中赋存的烃类物质被载气携带进色谱柱中,由于各组分在固定相中的溶解或被吸附能力各有差异,因此气态组分在固定相和流动相之间反复分配的过程中产生分异,体现在不同组分的运移速率不同,进入色谱柱之后不同组分发生自然分异,当不同组分从色谱柱中先后离开并进入检测模块后,由监测模块产生的离子流信号被放大,最终由电脑将不同组分的信号峰强度和时间记录下来。因为气相色谱可以分析油气物质中不同的烃类组分类型和相对数量,因此可广泛用于油气储层含油气性的定性以及定量评价。目前录井行业使用的气相色谱分析方法一般进行饱和烃的分析,可以在作业现场得到热解最高温300 ℃以前的所有饱和烃组分信息[4]。

1.2.2 分析方法

所谓的热蒸发是描述将岩样中的非气态烃类转化为气态烃类的加热过程。在实际操作过程中,这一加热过程一般将最高温度控制在350 ℃以下,因为超过这一温度时可能会发生油母质成分的降解。

色谱参数设置:一般热解炉口的最高温度为300 ℃,氢火焰离子化检测模块(FID)的最高分析温度为310 ℃,色谱柱初始温度为100 ℃,加热后以10 ℃/min的升温速率上升至300 ℃,并恒温运行至少25 min,随后完成整个分析流程。在分析过程中,一般使用氮气作为烃组分流动的载气,以氢气作为烃组分燃烧的助燃气体,以空气作为动力气体和助燃气体,分析完后以氮气作为吹扫气体。

利用热解气相色谱可以分析得到样品中碳9至碳37分布的烷烃、植烷和姥鲛烷等不同组分的相对占比,如图2所示,以出峰时间为横坐标、响应信号为纵坐标可绘制色谱分析谱图。

图2 气相色谱分析谱图

1.2.3 主要参数

1)色谱主峰的碳数分布特征Cmax:一般使用色谱峰图中质量分数占比最大的正构烷烃来表征主峰碳数。主峰碳数与有机质中生油母质的不同类型、有机质成熟度有关,反映了烃类物质的相对轻重程度。相对而言,以藻类为主要生油母质的烃类主峰碳数一般偏小,而以陆源高等植物为主要生油母质的烃类主峰碳数一般偏大。在有机质埋藏之前,生物体内正构烷烃的偶数碳低于奇数碳,有着非常显著的奇偶分布特征。而有机质成熟度不断升高后,这种奇偶分布特征将不断消减,直至无限趋近于1。

2)∑nC21-/∑nC22+:指的是碳数小于等于21的正烷烃与碳数大于等于22的正烷烃质量分数之比,可以反映有机质热演化程度,与生油母质类型和烃类性质有关。

3)(nC21+nC22)/(nC28+nC29):两组不同特征碳数的正烷烃质量分数之比。由于海生生物来源烃类的正烷烃碳数以碳21和碳22为主,而陆源植物来源烃类的正烷烃碳数以碳28和碳29为主,因此该参数可用于区分有机质的生油母质来源。统计结果表明,由陆源有机质组成的生油岩及其形成的原油,该参数比值一般为0.6～1.2,由海洋有机质组成的生油岩及其形成的原油该参数一般大于1.5。需要注意的是,使用该参数时需要参考有机质成熟度的分布情况。

4)姥植比:即姥鲛烷与植烷的相对质量分数之比,这一参数与有机质成熟度和有机质生油母质来源有关。有机质成熟度越高,姥植比越大。一般陆源有机质的姥植比大于1,海洋有机质的姥植比小于1。

5)类似的特征峰比值参数,还有Pr/nC17、Ph/nC18等,这些参数一般与有机质成熟相关,在油气成藏研究中可用于油气运移示踪。

2 地球化学录井图版

2.1 3种常用的地化录井图版

现在常用的地化录井资料解释图版大都基于各种参数的交会比值分析,前人提出的图版分析方法可以概括为以下三种类型:

1)基于可溶烃含量和含油气总量的交会图版。前已述及,通过热解气相色谱可以获得分别反映不同气液态和中烃的相对含量,以及储层样品中含烃物质的总体质量。利用这种不同组分的相对含量比值,以及含烃类物质的总量,二者的交会投点特征即可较好地反映样品烃类的特征,这也是最常用的地化录井资料解释策略。

2)单参数解释方法。在应用热解气相色谱数据进行储层油质类型分析时,使用S1、S2值的变化,可以较为方便地区分重质油与非重质油,而轻质油与中质油不易区分。由此提出了基于不同烃类百分数计算得到的地化亮点参数,该参数可表征为(S0+S1)/S2×PG。

3)色谱图峰面积特征识别方法。当储层含水时,色谱峰的未分辨峰面积将显著增大,有观点认为这种未分辨峰面积的占比与储层含水量直接相关,可以利用未分辨峰面积除以总峰面积,这个比值用来分析储层含水的情况。

2.2 其他的数学分析方法

主要采用统计分析、聚类、模糊数学及神经网络等方法[5]。数学方法的应用主要有三点用途:第一,可以融合多参数进行判别函数的建立,相比图版法一般只采用2～3个参数,数学方法在理论上对参数个数没有限制,在需要的情况下可以全面结合地化录井资料的多项参数进行判断。第二,可以对图版法的分区进行精细刻画;当运用图版法找到规律时,简单的矩形分区或者回归分区可能还不够精细,运用数学方法的多次迭代或收敛能达到精益求精的效果,使图版解释准确率更高。第三,当某些层位运用图版法和形态法难以发现规律时,还能用聚类的方法指引思路;当最终仍无法突破时,可以从实用的角度出发,采用如BP神经网络、马尔科夫链等数学模型对地化录井资料进行未知分类方面的探索。